应用3D打印陶壳模铸模技术控制铸造工艺金属凝固行为及其缩孔

Control of Solidification Behavior and Shrinkage Porosity for Metal Casting Process based 3D Printing Ceramic Shell Mold

洪佩纯 ¹、郭信宏 ²、蔡和霖 ^3*

¹金属工业研究发展中心 金属工艺研发处 熔铸组 副工程师

²金属工业研究发展中心 金属工艺研发处 熔铸组 副组长

³蔡和霖，金属工业研究发展中心 金属工艺研发处 副组长

摘要

利用积层制造技术于陶壳模铸模设计，可依照铸件质量需求，制作出厚薄不均一陶壳模铸模，达到控制冷却速率及凝固时产生缩孔形成位置。藉由铸造工艺仿真模块建立及预测分析结果显示，随着浇冒口部分的陶壳模铸模厚度增加，缩孔位置会朝向浇冒口端移动，降低缺陷于铸件内部形成，对于铸造工艺提供有效改善质量的方法。

关键词

喷胶工艺、陶壳模铸模、铸造工艺

前言

铸造业是国内重要基础工业，广泛应用于金属制品、机械零件等制造业。其中精密铸造具有表面细致度高、尺寸精度佳与适用于多种合金铸造优势，普遍应用于航天、能源、生医等高阶产业用的小型零件开发为主。

近年来，随着精密铸件产品趋向复杂化(厚薄不均)、一体化及大型化应用，对于铸件尺寸精度与表面细致度提升需求日趋严苛。然而，传统精密铸造陶壳模铸模工艺包含开立射蜡模、反复沾浆淋砂、干燥、脱蜡、烧结等繁杂工序，以及无法控制模壁厚度；若产品开发属于大型或厚薄不均的特性时，容易因为凝固行为控制不佳，造成铸件厚薄区凝固速率不同，于凝固速率小的区域因为凝固行为造成体积收缩，且无多余金属液补充，即可观察到该区域有铸造缩孔现象发生[3]。为了避免缩孔缺陷形成影响铸件质量，传统陶壳模工艺过程中，针对铸件特征较厚区域，特别增加更厚浇冒口设计，藉此各区块保温、散热、冷却的速率控制，进而达到控制整体金属液于模腔的凝固方向性；但此方法常造成材料利用率下降并增加铸件的后处理工序，导致制造成本增加。

根据多篇研究结果显示利用积层制造技术制备陶壳模铸模，可以提供铸模弹性化设计及提升精密铸造铸件质量[4-6]，对于少量多样的创新产品开发，更可以缩短产品开发时间50%以上与降低研发成本75%以上。其中喷胶黏粉技术(Binder jetting)可适用于多种类粉末材料与黏结剂，喷印过程于常温常压下即可进行，喷墨头接收驱动讯号后直接将黏结剂喷印图案于粉床(Powder bed)上，将粉末黏结成形，随后以逐层堆栈方式建构出初始对象 (Green part)，制作大型化对象，而未喷印粉末可回收再回到喷印工艺中，此陶壳模铸模制作方法已成为主要发展工艺技术重点之一。

本文主要聚焦于陶瓷粉体积层制造方法应用于一体形精密铸造用陶壳模铸模的关键壳模设计参数，并整合3D打印无形状限制优势进行铸造模拟及方案设计技术，探讨不均厚陶壳模铸模设计对于控制铸件各区块的凝固速度，藉此达到预测分析精密铸造过程中金属液凝固行为/方向及缩孔缺陷形成的关键影响因素，提供发展3D打印陶壳模铸模的研究开发基础。

精密铸造工艺技术

精密铸造法，又称脱蜡法(Lost wax casting），具有可铸造出更薄、形状更复杂、表面亮度佳、尺寸精密度高及生产速度快的优势。其制作过程包含射制蜡模、组立蜡树、反复沾浆、淋砂、脱蜡与壳模烧结、熔解与浇注如图1所示，其中沾浆淋砂在于控制铸造用壳模模具的壁厚，进而影响陶壳模铸模的强度与金属液凝固速度，近年来，相关报告研究壳模厚度、壳模热传系数对精密铸造凝固速度的影响，随着壳模厚度增加，有效降低壳模中的金属液凝固速度，且通过不同热传导系数(20 ~ 80 w/mk)的陶壳模材料应用，金属液凝固时间减少44%以上，由此可知，若能够有效控制壳模的厚度与热传速度，将有效控制金属液凝固速度，并且能够影响铸造产品的微观组织，调整铸件质量及性能。

图 1 精密铸造流程图

精密铸造凝固原理与铸件质量改善方法

熔融金属浇注至陶壳模铸模中便开始冷却，由浇注液态金属完全凝固所需时间称为凝固时间，铸件内部在凝固过程中因金属液本身热胀冷缩的特性，在冷却凝固的过程中，高温金属液补充其凝固收缩，而产生体积收缩的现象，收缩过程分成为三阶段：

(1)熔融金属液浇注后，液态金属降温过程会产生0.5%的液态收缩(Liquid contraction)；

(2)由接触陶壳模铸模模腔的金属液开始形成凝固金属表层，即铸件表面，而金属液态凝固成固态过程中，由铸件表面往内部凝固会产生凝固收缩(Solidification shrinkage)；

(3)固态组件于降温过程中低温区产生拉应力，造成固态热收缩(Solid thermal contraction)，故从最后步骤了解到，铸件内部凝固的速度较迟，容易造成铸件内部或表面产生凹陷或不规则的孔洞，称为缩孔(Shrinkage porosity)如图 2所示。

(a)                        (b)

图 2 铸件缩孔缺陷(a)、缩孔微观组织(b)

传统铸造工艺，皆以设计补充流道(Feed channel)、进模口(Gate)、冒口(Riser)等来获得方向性凝固使铸件得到足够金属液补充如图 3。改善铸件质量常藉由铸造方案设计，克服模壁逐渐向中心凝固的现象称的渐进式凝固(Progressive solidification)状况，使铸件每一个部分于凝固过程中都能够由补充浇道获得金属液补充，即所谓定向凝固（Direct Solidification)，主要是利用温度梯度控制稳定且定向的热传方向，使液态金属在凝固的时候是以单方向往热传的反方向进行，延长冷却凝固时间，降低并改善较厚断面内部缺陷。

图 3 渐进式凝固及浇冒口补缩的示意图

然而，凝固过程中固液界面受到温度梯度、凝固速度及溶质浓度等影响，可分成四种型态如图 4所示。固液界面的初始凝固行为导致微小预凝固点生成，若固液界面的液相区温度高于熔点，此凝固点则再次熔合，呈现Planar的固液界面；当固液界面温度略低于熔点，预凝固点将持续成长，称为Cellular现象；当主要固液界面温度梯度渐缓，会使Cellular成长至Dendrite状态；甚至温度梯度达一定临界点时，液相区不受主要固液界面影响，Free Dendrite于液相区独立生成。固液界面以Planar形态为佳，辅助方向性凝固减少缩孔的效果，据文献指出温度梯度大、凝固速度小、初始浓度小时，则有利于方向性凝固的效果。根据上述原理说明，若能够利用不同壳模厚度设计，来建立壳模本身的温度梯度变化，达到控制壳模热传，进而影响金属液凝固速度与方向的传递控制，将有效建立出良好的方向性凝固趋势，促使铸件缺陷降低与良率改善。

图 4 四种不同固液界面形态

3D打印陶壳模铸模数值模型建立

本文以厚薄比差异大的辊身形状铸件作为工艺研究分析对象如图5a所示，通过浇冒口增设如图5b的方案设计，探讨控制缩孔缺陷形成位置与铸件质量改善的陶壳模设计方法。材料则选择A356铝合金，由于此合金固液相温度差距小，更能够有效说明模拟出不同陶壳模铸模厚度所导致凝固缺陷差异。金属液于陶壳模内降温凝固过程，藉由FLOW-3D CAST商用软件以有限差分法(Finite Difference Method)，建立模具网格，模拟精密铸造过程中，铸件对于热传导、流场、压力场及温度场变化，工艺边界条件设定，包括材料选用及精密铸造工艺条件如表 1所示，以及壳模材料热物性质如表 2所示。针对图5c浇冒口处的壳模厚度进行加厚设计如图 6所示，虚线以上为壳模加厚部位t₁，虚线以下t₀固定8 mm壳模厚度，厚薄比t₁／t₀设定为1~8，最后再转成STL网格格式做真实模具的输入，预测整体壳模不均厚设计对于铸件质量的影响。

表 1 材料及铸造工艺模拟分析条件设定

材料	陶壳模铸模材料	浇注温度	壳模温度	环境温度
A356	氧化铝、氧化镁、石英、等混合陶瓷粉末	700℃	1100℃	35℃

 

表 2 陶壳模材料热物性质

密度(g/cm3)	比热(J/kg·K)	热传导率(W/m·K)	热膨胀系数(10-6/℃)	普松比	高温降伏强度(MPa)	杨氏系数(GPa)
3.9	400-800	27	2.7	0.23	690-700	370-410

图 5 辊身3D几何图档(a)、辊身铸造方案设计(b)、辊身壳模图档(c)

编号	SH1	SH2	SH3	SH4	SH5	SH6	SH7	SH8
厚度t1(mm)	8	16	24	32	40	48	56	64
厚薄比(t1／t0)	1	2	3	4	5	6	7	8

图 6 不均厚陶壳模铸模设计示意图

3D打印陶壳模铸模数值分析方法

异厚陶壳模铸造工艺模拟方法的示意图如图 7所示，整体工艺分析以理想浇注充填情况进行无相变化的凝固过程，建立A356铝合金铸造质量仿真分析，初期先针对产品进行均厚8mm模壁陶壳模进行模拟分析，仿真的铸造缺陷与温度场分布结果如图 7(a)(b)(c)所示，在相同的壳模厚度下，浇冒口因为辊身结构特征的限制，颈部较薄处，快速产生冷却凝固，使浇冒口无法发挥补缩，延长凝固时间，导致内部较厚断面处的辊身内部温度还没凝固，其他的区块已产生凝固，形成严重缩孔，与实际铸件相比，其铸造缺陷位置相符合，如图 7(d)所示。

图 7 凝固方向示意图(a)、温度场分布(b)、缺陷位置预测(c)、实际铸件比对(d)

3D打印陶壳模铸模不均厚壳模设计与方向凝固控制分析

观察模拟分析结果如图 8所示，藉由浇冒口壳模厚度增加，观察不均厚壳模厚度比1~8的金属液凝固过程。图 8(a)为缩孔开始形成的位置，SH1均厚壳模会从铸件较薄处的上下两端开始凝固，导致缩孔会于铸件内部形成；同时可由图 8(b)观察到未完全凝固金属(黄色区域)生成于SH1均厚壳模铸件内部，随着壳模厚薄比增加，冒口处保温效果让壳模冒口与铸件两区域温度差距变大，各区块凝固速度差异亦随的增加，导致形成缩孔起始位置及未完全凝固区域会往冒口处向上移动。铸件内金属液相完全凝固成固态后缩孔位置如图 8(c)所示，SH2壳模厚度比为2的设计，可观察到仍有部分缩孔会残留于铸件内部，虽然为完全凝固区域可移动至冒口区，但最后凝固于铸件内所产生拉力仍会导致形成细长形缩孔于冒口与铸件界面处。随着壳模厚度比增加，完全凝固前固液界面位置，由底部单方向往上位移，证明其藉由壳模异厚设计，确实能够控制整体金属液固液界面的凝固方向，进而控制缺陷位置。

图 8 不均厚壳模厚度比1、2、3、4、5、6、7及8的金属液凝固过程仿真未凝固区域(a)、缩孔开始形成位置与温度场变化(b)、完全凝固后所产生缩孔形貌(c)

壳模厚薄比增加可观察到凝固时间启动渐缓外，也会造成固相率变化如图 9所示，针对为壳模厚薄比1、3、5及7的固相率曲线，除了具有方向性凝固效果外，其温度变化趋近于Planar状态，尤其SH5及SH7厚度比5倍以上，方向性凝固更是明显；综合以上结果分析所述，当壳模厚度增加为6倍时，其壳模本身的冒口补缩效果与5倍差不多，代表壳模厚度的增加，存在临界值效果，超过该厚度临界值，热传控制的贡献将会减小，可以收敛壳模增厚的最大范围值；当铸件厚跟薄差异达2倍时，模壁的厚薄差异达5倍，可达到各区块保温、散热、冷却的速率控制，减少不必要的壳模增厚成本，有效辅助3D打印陶壳模铸模的金属液方向性凝固控制及改善铸造缺陷的铸造方案建立。

图 9 3D打印陶壳模铸模厚度变化与固相率的关系图

结论

本文整合具无形状限制优势的3D打印陶壳模、铸造模拟分析及铸造方案设计技术，分析3D打印陶壳模铸模不均厚设计对其铸件缺陷位置及凝固行为的影响，研究结果显示金属液凝固行为随着壳模厚薄比增厚而改变，铸件固液相转换时间增加足以让浇冒口发挥补缩效果、有利于方向性凝固的planar状态随厚薄比设计而优化及凝固完全前主要固液界面位置对应的壳模厚度及铸造方案的设计，得以而知，壳模厚薄比增厚于铸件缩孔缺陷位置的关系，辅助3D打印陶壳模铸造产业用的工艺缺陷预测及铸造参数和铸造方案设计，提供发展3D打印陶壳模铸模的研究及技术开发的理论基础。

参考文献

[1]. Metal Casting Market: Global Industry Trends, Share, Size, Growth, Opportunity and Forecast 2019-2024.

[2]. Investment Casting 2018 Global Industry Size, Share, Trends, key Players Analysis, Applications, Forecasts to 2023.

[3]. J. Jiang and X. Y. Liu, “Dimensional variations of castings and moulds in the ceramic mould casting process”, J. Mater. Process. Technol., Vol. 189, pp. 247–255, 2007.

[4]. S. A. Uhland, Richard K. Holman, S. Morissette, M. J. Cima, and E. M. Sachs, “Strength of Green Ceramics with Low Binder Content”, J. Am. Ceram. Soc., Vol. 84, pp. 2809–2818, 2001.

[5]. H.-Y. Park, E.-H. Kim, H.-H. Choi, G.-H. Cho, Y.-G. Jung, and J. Zhang, “New conversion process for fabricating a ceramic core by a 3D printing technique”, Surf. Coat. Technol., Vol. 332, pp. 527–532, 2017.

[6]. D. Szeliga, K. Kubiak, W. Ziaja, R. Cygan, J. Sz. Suchy, A. Burbelko, W. J. Nowak, and J. Sieniawski, “Investigation of casting–ceramic shell mold interface thermal resistance during solidification process of nickel based superalloy”, Exp. Therm Fluid Sci., Vol. 87, pp. 149–160, 2017.